3. Применение

молекулярный эпитаксия эффузионный фотоприемник

Использование структур со сверхрешетками, квантовыми ямами и квантовыми точками позволяет создавать уникальные проборы микро-, нано- и оптоэлектроники, принцип действия которых основан на волновой природе электрона. Это, в первую очередь, полупроводниковые лазеры и чувствительные фотодетекторы с квантовыми ямами, сверхрешетками и квантовыми точками в активной области, транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале, нанотранзисторы, туннельно-резонансные диоды, одноэлектронные приборы и т.п.

В настоящее время дополнительный импульс как исследовательским, так и технологическим работам по МЛЭ придают идеи и перспективы создания элементной базы для квантовых компьютеров.

Промышленная реализация и развитие метода МЛЭ убедительно показали, что он незаменим при получении многослойных эпитаксиальных структур с атомной гладкостью границ, прецизионно заданными толщинами слоев, составом и профилем легирования.

МЛЭ в коммерческих целях используется в основном для создания GaAs. Для устройств на основе GaAs требуется высокая скорость в СВЧ диапазоне и поэтому требуется очень хорошее качество эпитаксиальных слоев. С этой целью очень хорошо справляется процесс МЛЭ.

Так же с помощью МЛЭ выращивают слои GaAs на кремниевых подложках. Они получаются на больших пластинах, имеют лучшую теплопроводимость и обходятся более дешево. Не смотря на проблемы такого выращивания (довольно большое рассогласование постоянных решеток, что приводит к образованию дислокаций), на их основе было сделано много транзисторов, лазеров и светодиодов.

Кроме GaAs с помощью МЛЭ получают структуры с требуемыми параметрами из полупроводников III-V групп. Используя чередующиеся тонкие пленки (в несколько моноатомных слоев) из этих материалов получают сверхрешетки. Такие структуры особенно применяются светодиодах и лазерах (так же с излучением спектра синего цвета). Так же из этих структур изготавливают инфракрасные датчики, требующие очень малой ширины запрещенной зоны.

На основе соединений типа A^IIIB^V выпускают полупроводниковые индикаторы и приборы двух категорий: светодиодные индикаторы (LED) и микроволновые интегральные схемы.

Светодиоды изготавливают из монокристаллического GaAs, в котором р-n переходы формируются путем добавления соответствующих легирующих примесей. Обычно это теллур, цинк или кремний. Эпитаксиальные слои трехкомпонентных и четырехкомпонентных материалов типа A^IIIB^V, таких как фосфид арсенид галлия (GaAsP), наращиваются на подложку. Они дают полосу излучения волн определенной длины в видимом спектре для индикаторов или в инфракрасном спектре для источников излучения или датчиков. Например, красный свет с длиной волны примерно в 650 нм происходит от прямой рекомбинации р-n электронов и дырок. Диоды, излучающие зеленый свет, как правило, изготавливаются из фосфида галлия (GaP). Микроволновые интегральные схемы - специализированный тип интегральных схем. Они применяются в качестве высокочастотных усилителей (от 2 до 18 Ггц) для радарных, телекоммуникационных и телеметрических установок, а также для октавных и многооктавных усилителей, применяющихся в электронных военных системах. Изготовители микроволновых интегральных схем, как правило, закупают подложки из монокристаллического арсенида галлия у фирм-поставщиков материалов (как это делают изготовители кремниевых приборов). Основные этапы изготовления включают жидкофазное эпитаксиальное выращивание, технологические и нетехнологические процессы, аналогичные процессам, применяемым при изготовлении кремниевых приборов.

Постепенно растет спрос на структуры Si-Ge, материалов II-VI групп. Так же были попытки вырастить сплавы из магнитных материалов Co-Pt и Fe-Pt для улучшения магнитного хранения данных.

Структуры кремний на сапфире (КНС) до сих пор составляют основу радиационно-стойких, быстродействующих интегральных схем. Кроме того, такие структуры могут быть использованы в оптоэлектронике. В связи с необходимостью совершенствования известных и создания новых, все более сложных, интегральных схем ужесточаются требования к слоям кремния на сапфире по однородности электрофизических характеристик, уровню автолегирования и концентрации донорных примесей, уменьшению влияния переходного слоя на границе кремний – сапфир. Несмотря на большое число исследований, направленных на улучшение свойств тонких слоев кремния на сапфире при выращивании их методом газофазной эпитаксии, протяженность переходной области менее 0.5 мкм достичь не удалось. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) наиболее приемлем для гетероэпитаксии КНС-структур, поскольку температуру роста в нем можно снизить до 650°С с сохранением высокого структурного совершенства слоев и качества поверхности.

Полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми точками привлекают все больший интерес исследователей в связи с уникальными оптическими свойствами, обусловленными атомоподобным энергетическим спектром электронных состояний, наличием воспроизводимых технологий получения, а также возможностями их применения в современных микро- оптоэлектронных приборов.

Оптические свойства полупроводниковых светоизлучающих приборов с активной областью на основе гетероструктур с квантовыми точками определяются, в том числе, средним латеральным размером, формой, однородностью по размерам, степенью пространственной упорядоченности и поверхностной плотностью островков. Необходимость управления геометрическими параметрами ансамблей квантовых точек за счет изменения технологически контролируемых условий их выращивания стимулирует развитие теоретических и экспериментальных исследований кинетики формирования когерентных островков. Наиболее подходящим методом создания таких структур является молекулярно-лучевая эпитаксия.

В ряде работ обсуждался вопрос о возможности получения излучения терагерцового диапазона за счет переходов электронов с верхних расщепленных уровней квантовой молекулы (две квантовые точки, связанные друг с другом за счет туннельных эффектов) на нижние. Таким образом, квантовые молекулы могут рассматриваться в качестве излучателей терагерцового излучения.

Существует возможность создания перестраиваемого под ближний и средний ИК диапазон фотодетектора с Ge квантовыми точками.

Разработанные нитридные гетероструктуры для СВЧ-микроэлектроники демонстрируют полное отсутствие эффекта коллапса (падение мощности в СВЧ-режиме по сравнению со статическими характеристиками), что характерно для нитридных транзисторов. На созданных гетероструктурах были изготовлены транзисторы с удельной мощностью 3,8 Вт/мм при 10 ГГц, что близко к предельным значениям для структур, выращенных на сапфире. Достижение указанных результатов в значительной степени обусловлено возможностями ростового оборудования. Возможность проведения процесса при ~1200⁰С позволяет растить гетероструктуры с переходного слоя AlN, имеющего высокое кристаллическое совершенство. Выращенный на таком слое объемный нитрид галлия демонстрирует рекордные значения подвижности свободных носителей.

Важный приборный аспект включающего переходной слой AlN ростового процесса – возможность его легкой адаптации к различным видам подложек: сапфир, кремний, карбид кремния. Высокая теплопроводность подложек Si и, в особенности, SiC позволяет существенно снизить влияние теплового разогрева на работу мощного транзистора.

Базовым материалом для разработки и производства инфракрасных (ИК) фотоприемников (ФП) является твердый раствор кадмий–ртуть–теллур Cd_xHg_1-xTe (КРТ). Это обусловлено физическими свойствами КРТ (большим быстродействием, возможностью изменения ширины запрещенной зоны КРТ в широких пределах и высокой квантовой эффективностью в диапазоне перекрываемых длин волн). ИК ФП на основе КРТ различного состава обеспечивают регистрацию ИК-излучения в широком диапазоне длин волн (1—20 мкм и более). Тепловизионная техника, основанная на применении фотоприемников инфракрасного (ИК) диапазона длин волн 3−12 мкм, требуется для применения как в военной технике для систем ночного видения, обнаружения и наведения, так и в народном хозяйстве для медицины, сельского хозяйства, химической, металлургической, топливодобывающей промышленностей.

Эпитаксиальные слои КРТ на подложках большого диаметра необходимы для создания матричных ИК ФП с большим числом элементов для повышения производительности производства и снижения стоимости изделий. В соответствии с этим к эпитаксиальным технологиям получения такого материала КРТ предъявляются жесткие требования — высокое структурное совершенство и однородность фотоэлектрических свойств по площади. Успехом эпитаксиальных методов являются как прогресс в увеличении размеров и структурного совершенства подложек CdZnTe, согласованных по параметру решетки с выращиваемой пленкой КРТ, так и возможность выращивания гетероэпитаксиальных структур на альтернативных подложках (буферные эпитаксиальные слои CdTe или CdZnTe на подложках из объемного Al₂O₃, GaAs или Si). Использование альтернативных подложек имеют несомненное преимущество перед подложками из CdZnTe по размерам, доступности, низкой цене и улучшенному согласованию коэффициента температурного расширения с системами считывания.

Наиболее привлекательным материалом для альтернативных подложек является кремний несмотря на большое (19 %) рассогласование параметров решеток с КРТ. Достоинством подложек из кремния являются не только низкая стоимость и большой размер пластин, но также и то обстоятельство, что совмещение кремниевой подложки с кремниевой системой считывания позволяет производить ИК ФП, обнаруживающие устойчивость при длительном термоциклировании. Полагается, что использование подложек из кремния приведет к созданию монолитных ИК ФП, в которых фоточувствительный материал осаждается непосредственно на кремниевую схему считывания.

Молекулярно-лучевая эпитаксия превосходит другие эпитаксиальные методы выращивания слоев КРТ на альтернативных подложках благодаря в первую очередь низким температурам роста (180^oС), что предотвращает диффузию примесей из подложки и снижает фоновое легирование примесями. Технология МЛЭ КРТ достигла уровня, необходимого для приготовления материала для практических приложений. Этот метод позволяет при массовом производстве на подложках из GaAs и Si снизить стоимость КРТ, что является необходимым условием широкого применения инфракрасных сенсоров. Метод обладает практически неограниченными возможностями совершенствования инфракрасных сенсоров и дает возможность приготовления структур для новых классов приборов.

Пленки нитридов AlN, GaN, InN перспективны как барьерные слои туннельных гетероструктур благодаря своей большой ширине запрещенной зоны, а также для акустооптических гетероструктур.

Одним из основных применений структур на основе нитридов металлов третьей группы является изготовления мощных полевых СВЧ-транзисторов. Полевые транзисторы на основе гетероструктур (HEMT-транзисторы - с высокой подвижностью электронов) AlGaN/GaN отличаются работой на сверхвысоких частотах, высокой мощностью и лучшей эффективностью в сравнении с классическими МОП-транзисторами.

В настоящее время проводится множество исследования светодиодов, излучающих свет в ультрафиолетовом диапазоне, с использованием нитрида галлия и сплава GaAlN. К областям использования AlN можно отнести: оптоэлектронику; диэлектрические слои в оптических носителях; высокотеплопроводные подложки; изготовление тиглей для роста арсенида галлия; датчики поверхностно-акустических волн.

С помощью МЛЭ выращивают InAs. Арсенид индия - перспективный материал электронной техники. Высокая подвижность электронов в арсениде индия прямозонная структура позволяют использовать его для изготовления высокоэффективных электронных и оптоэлектронных приборов, в частности быстродействующих транзисторов и интегральных схем, фотоприемных детекторов ИК - диапазона, инжекционных лазеров с длиной волны 3,5 мкм.

На основе квантовых точек InGaAs-GaAs изготавливают светодиоды и полупроводниковые лазеры поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (vertical cavity surface-emitting lasers — VCSEL) . Последние характеризуется излучением света в направлении перпендикулярно поверхности электродов — отсюда и словосочетание "вертикальное излучение" в названии.

По сравнению с поперечными излучателями у лазеров VCSEL имеются некоторые преимущества. Они гораздо проще в изготовлении. Поперечные излучатели необходимо сначала вырезать из соответствующего материала, затем поместить в корпус, и лишь после этого их можно тестировать. В то же время, лазеры VCSEL можно тестировать уже тогда, когда они только помещены на пластину-носитель, на которой осуществляется их сборка. Кроме того, VCSEL более эффективны и потребляют меньше энергии по сравнению с боковыми излучателями. Они вырабатывают меньше тепла, требуют меньшего внимания в вопросах теплоотвода и обычно служат дольше. Наконец, подобно другим типам лазеров, лазеры VCSEL допускают высокоскоростную модуляцию, благодаря чему они позволяют генерировать сигналы со скоростью более 1 Гбит/с.

Доступные в настоящее время лазеры VCSEL изготовляются из арсенида галлия (GaAs) и излучают свет в волновом диапазоне примерно от 750 до 1000 нм. Длины волн этого диапазона недостаточно велики для того, чтобы можно было передавать сигналы по волоконно-оптическим кабелям на большие расстояния, поэтому VCSEL используют не столько для дальней связи, сколько в LAN, развернутых в пределах одного здания, в которых интенсивный обмен информацией осуществляется на небольших расстояниях.